2014.7-瞬态脉干扰的抑制解析

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1、 第七课 瞬态脉冲干扰的抑瞬态脉冲干扰的抑制制瞬态干扰对设备的威胁电快速脉冲电快速脉冲浪涌静电放电静电放电电源端口信号端口浪涌静电放电n 瞬态干扰：瞬态干扰：时间很短，频谱宽，幅度大的电磁干扰。n 常见的瞬态干扰：电快速脉冲、浪涌、静电放电2在电气和机电设备中常见的一种瞬态干扰是由继电器、马达、变压器等电感器件和开关动作开关动作产生的。一般这些器件构成系统的一部分，因此干扰往往在 系统内部产生。设计人员对此应给予足够的重视。电感性负载电感性负载3感性负载断开时产生的干扰VLVLt电源回路中的电流（电压）I0VdcC特点：脉冲串特点：脉冲串n根据楞次定律，当开关断开时，电感上的电流不能突然消失，

2、电感上会产生一个很高的反电动势，E=d/dt=-L(di/dt)n 这个反电动势向电感的寄生电容C反向充电。随着充电电压的升高，触点上的电压也升高，当达到一定程度时，将触点击穿，形成导电通路，电容C开始放电，电压开始下降，当 电压降到维持触点空气导通的电压以下时，通路断开，又重复上面的过程。这种过程一直重复到由于触点之间的距离增加，电容上的电压不能击穿触点为止。n当电容不能通过击穿触点放电时，就通过电感与电容回路放电，直到电感中的能量耗尽为止。I0VdcCt电源回路中的电流（电压）瞬态干扰产生的机理瞬态干扰产生的机理5两种触点击穿导通机理气隙上的电压击穿电压击穿电压维持电压320V0.08mm

3、 接触点距离 辉光放电辉光放电 气体气体电离离气体电离气体电离自持放电自持放电辉光放电辉光放电起辉电压：起辉电压：。维持电压：维持电压：维持电压与触点的距离无关，在空气中大约为300V。需要一个最小电流，通常为几个 mA。辉光放电辉光放电阳极(+)阴极()电子流弧光放电弧光放电 金属气化金属气化金属气体桥弧光放电，所需要的电压梯度一般为0.5MV/cm。维持电压一般为1030V，维持电流一般为1A。当电压或电流不满足这个条件时，弧光放电就终止了。气体金属桥上的电流由电路电阻和电源电压决定。击穿电压击穿电压维持电压30V接触点距离 弧光放电弧光放电7随着触点的距离越来越远，击穿触点需要的电压越来

4、越高，因此电容上的电压越来越高。随着击穿触点需要的电压越来越高，电容充电的时间越来越长，因此震荡波形的频率越来越低。电容C每次击穿触点向电源回路反向放电时，会在电源回路上形成很大的脉冲电流，由于电源阻抗的存在，这些脉冲电流在电源两端形成了脉冲电压，从而对共用这个电源的其它电路造成影响。电源回路中的电流tI0VdcC8 静电放电现象p 当一个带电物体接近一个接地导体时，带电物体上的电荷会 通过接地导体泄放，这就是静电放电现象。p 静电放电产生电磁干扰的原因：放电电流具有很高的幅度和 很短上升沿，根据傅立叶变换，上升沿为1ns的脉冲，带宽达 到300MHz。p 静电的产生：接触分离起电，摩擦起电，

5、感应起电，传导起电1ns100ns放电电流放电电流 IIt放电电流放电电流说明：说明：在进行静电放电试验时，会发现一种现象：较高的静电电压和较低的静电电压都比中等程度的静电电压产生的静电放电更容易引起电路干扰。解释如下：电压较低时：电压较低时：带电体几乎接触上接地导体时才发生放电，放电是突发性的，上升沿突发性的，上升沿很陡，幅度很大很陡，幅度很大。因此干扰很厉害。电压中等时：电压中等时：带电体接近接地导体时，两者之间的电压导致气体电离，发生辉光放电，放电电流脉冲的上升沿较长上升沿较长，所占频带较窄。电压很高时：电压很高时：虽然也会有辉光放电发生，但是会发生多次放电。在每个多次放电序列中，会有一

6、个以上的低电压放电低电压放电，这会导致快速上升时间和高峰值电流，产生严重的问题。10浪涌产生的原因一般小于一般小于75kA最大可达最大可达300kA导体周围产导体周围产生强磁场生强磁场I特点：能量大特点：能量大浪涌主要是由雷电在电缆上感应产生的，功率很大的开关也能产生。浪涌的特点是能量很大，室内的浪涌电压幅度可达到6kV，室外会超过10kV。浪涌虽然不象EFT那么普遍，但是一旦发生危害是十分严重的，往往导致电路的损坏浪涌试验波形 直接雷、感应雷直接雷：感应雷：感应雷：瞬态干扰的频谱A0.5A 2A 1/1/tr时间时间频率频率瞬态类型瞬态类型 tr 1/1/tr A 2A EFT 5ns 50

7、ns 6.4MHz 64MHz 4kV 0.4V/MHzESD 1ns 30ns 10MHz 320MHz 30A 1.8 A/MHz浪涌浪涌 1.2 s 50 s 6.3kHz 265kHz 4kV 0.4V/MHz瞬态干扰抑制原理瞬态干扰抑制原理低通滤波器：低通滤波器：截止频率小于截止频率小于1/分压法：分压法：电电 阻阻电电 感感电电 容容分流法：分流法：压敏电阻压敏电阻瞬态抑制二极管瞬态抑制二极管气体放电管气体放电管电电 容电阻容电阻对策浪涌抑制器件浪涌抑制器件压敏敏电阻阻瞬瞬态抑制二极管抑制二极管气体放气体放电管管低通低通滤波器波器上策上策下策下策并并 用用浪涌注入端浪涌注入端被保被

8、保护电路路端端 抑制高频 差模干扰电路结构浪涌注入浪涌注入端端被保被保护电路端路端浪涌注入端浪涌注入端被保被保护电路路端端滤波器与瞬态抑制器共用滤波器的电路结构RLRLRCL消除感性负载干扰17低通滤波器对脉冲干扰的抑制低通滤波器对脉冲干扰的抑制AfILf+fCOfCOAf输入脉冲频谱滤波器特性输出脉冲频谱输出脉冲频谱2VIPd2VIPdn 相当于脉冲的上升相当于脉冲的上升时间和脉和脉宽变大，而幅度没有减小。大，而幅度没有减小。n 假设滤波器与负载是阻抗匹配的，如果不匹配，输出为衰减振荡波形18Fco 1/VOUT=VP(f)f1=2VIN /=2VIN/fcoVINVOUT VOUT/VIN

9、=2/小于小于1输出脉冲的幅度略有降出脉冲的幅度略有降低，低，难以以满足要求。足要求。低通滤波器对瞬态干扰的抑制低通滤波器对瞬态干扰的抑制VOUT/VIN-10-20-30-40 fCO1/2 0.10.010.0010VOUT/VIN=2 fco 低通滤波器抑制脉冲的效果低通滤波器抑制脉冲的效果低通低通滤波器波器 可见，脉冲越窄，抑制效果越好。消除感性负载干扰RCLRLRLLRL非线性器件，可能更好阻尼电路参数确定R:越大，开关闭合越大，开关闭合时限流作用越好时限流作用越好越小，开关断开越小，开关断开时反充电压越小时反充电压越小V/Ia R RL折衷折衷C:没有电离时，没有电离时，L中的能量

10、全部进入中的能量全部进入C，VC=I(L/C)1/2为了防止发生辉光，为了防止发生辉光，VC (I/300)2 L为了防止发生弧光，电容充电速率要小于为了防止发生弧光，电容充电速率要小于1V/s，C 10-6 I瞬态干扰抑制器件瞬态干扰抑制器件瞬瞬态抑制二极管抑制二极管瞬瞬态干干扰气体放气体放电管管压敏敏电阻阻VIVIVIn 基于气体放电机理的气体放电管。n 基于非线性电阻特性的压敏电阻和瞬态抑制二极管。u 共同特点是，当器件上的电压超过一定值时，器件的电阻变当器件上的电压超过一定值时，器件的电阻变 得很低，从而将干扰能量泄放掉得很低，从而将干扰能量泄放掉瞬态干扰抑制器件瞬态干扰抑制器件 10

11、00浪涌电压浪涌电压压敏电阻压敏电阻瞬态抑制二极管瞬态抑制二极管气体放电管气体放电管220500钳位电压较高钳位电压较高电流容量不大电流容量不大有残留尖峰有残留尖峰和跟随电流和跟随电流瞬态瞬态注入注入端端被保被保护电路端路端27n压敏电阻：压敏电阻：特点：特点：峰值电流承受能力较大，价格低。缺点：缺点：钳位电压较高，随着受到浪涌冲击的次数增加，漏电增加，响应时间较长。n 瞬态抑制二极管（瞬态抑制二极管（TVS）：）：特点：特点：响应时间短，钳位电压低（相对于工作电压）。缺点：缺点：承受峰值电流较小。n 气体放电管：气体放电管：特点：特点：承受电流大，。缺点：缺点：响应时间长，由于导通维持电压很

12、低，因此会有跟随电流，不能在 直流环境中使用（放电管不能断），有残留尖峰。说明：说明：浪涌抑制器件的失效模式一般为短路。这个特点一方面为电路保护提供了安全保障，不会发生器件失效。同时，也有可能造成电路工作的中断。28ESD对电路工作影响的机理不良搭接孔缝电流找阻抗最小路径静电放电产生的电磁场 静电放电耦合通路有：直接传导、电容耦合、电感耦合等三种。直接传导，直接传导，电容耦合和电感耦合：电容耦合和电感耦合：金属机箱或电缆上的静电放电电流产生的电磁场 通过寄生电容或电感耦合进敏感电路。静电放电对设备造成的损害有三种：硬损坏、软损坏和数据错误。ESD 产生的电磁场 5 10 151234电场 kV/m磁场 A/m51015时间 ns10 cm20 cm50 cmESD常见问题与改进 ESDVESDESDVESD屏蔽层单点接地单点接地屏蔽场作用屏蔽场作用31ESD 常见问题与改进ESD1I1ESD2I2二次放电ESD1I1ESD2铁氧体磁珠高电位0V高电位共模电流共模电流增加与外壳间的距离32电缆上的ESD防护电缆/机箱搭接VN33